Adaptive, dezentrale Produktionssteuerung - Einsatz und Bewertung der RFID-Technologie

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Um erfolgreich am Markt agieren zu können, müssen Unternehmen schnell und flexibel auf Kundenwünsche reagieren können. Vorraussetzung dafür ist vor allem eine effizient ausgestaltete Produktionssteuerung.

Im vorliegenden Beitrag wird ein auf Grundlage eines Marktplatzkonzeptes entwickeltes adaptives, dezentrales Produktionssteuerungskonzept sowie dessen praktische Umsetzung auf Basis der Radiofrequenz-Identifikations-Technologie (RFID) vorgestellt. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit von RFID-Lösungen präsentiert.

Die Dynamik auf heutigen Märkten verlangt von Unternehmen eine starke Wandlungsfähigkeit ihrer Produktions- und Logistikprozesse. Erforderlich ist hier eine flexible Produktionsumgebung, in der Anpassungen, Umplanungen und eine Realisierung neuer Produktionsstrategien schnell, effizient und effektiv möglich sind [1]. Eine flexible, adaptive und dezentrale Steuerungslogik zu schaffen, ist Ziel des mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“ geförderten und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT), betreuten Verbundprojekts „Wirtschaftlicher Einsatz moderner Identifikationstechnologien zur adaptiven, dezentralen Produktionssteuerung“ (WIPro).

Adaptiv und dezentral – das marktplatzbasierte, modulare Produktionssteuerungskonzept

Aufgrund des Spannungsfelds zwischen externen Treibern wie Kundenwünschen und unternehmensinternen Zielen bekommt eine schnelle Reaktionsfähigkeit auf die sich verändernde Unternehmenssituation einen zunehmend größeren Stellenwert. Die kontinuierlichen Anpassungen an diese sich wandelnden Rahmenbedingungen führen zu einer steigenden Anzahl an Korrekturen bei der Produktionsplanung- und -steuerung. Die Zielkonflikte zwischen den produktionslogistischen Zielgrößen Bestand, Durchlaufzeit, Termintreue und Auslastung sowie der Ressourcenkonflikt (Zuordnung von Aufträgen zu begrenzten Ressourcen) verstärken diesen Effekt. Daher gewinnt die Umsetzung dezentraler (Fein-) Steuerungsmöglichkeiten zunehmend an Gewicht. Der verfolgte Ansatz zur Realisierung einer adaptiven, dezentralen Produktionssteuerung basiert auf einem Modul-Konzept, bei dem der betrachtete Produktionsprozess in beliebig viele Abschnitte zerlegt werden kann.

Die bei der Modularisierung entstehenden Prozessmodule können in unternehmens- und prozessabhängiger Häufigkeit über den bestehenden Produktionsprozess definiert werden. Ein Standard-Prozessmodul besteht dabei aus einem „Marktplatz“ und 0 bis n nachgelagerten Arbeitssystemen. Der Marktplatz ist ein Ort im Produktionsprozess, der physisch einen Puffer und aus Sicht der Produktionssteuerung einen dezentralen Feinsteuerungspunkt darstellt. An diesen Feinsteuerungspunkten werden Angebote (Kapazität der Arbeitssysteme des Standard-Prozessmoduls) und Nachfragen (Durchführungszeit der Aufträge auf dem Marktplatz) priorisiert, um auf Störungen im Produktionsprozess oder auf Zielkonflikte aufgrund begrenzter Ressourcen reagieren zu können. Damit wird auf den Marktplätzen in Echtzeit mit den für die Produktionssteuerung relevanten Informationen zunächst eine Reihenfolge gebildet, welche anschließend nach einem Auftragsfreigabeverfahren im entsprechenden Modul abgearbeitet wird. Anhand der dezentral verfügbaren Informationen (z. B. auf RFID-Transpondern) kann nach den unternehmensspezifischen Zielvorgaben, welche in definierten Steuerungsregeln hinterlegt sind, eine softwarebasierte Zuordnung der Aufträge zu Transporthilfsmitteln, Transportmitteln sowie Arbeitssystemen erfolgen.

Im Gegensatz zu zentralen Produktionssteuerungsverfahren bieten dezentrale Verfahren dabei grundsätzliche Vorteile, wie positive Beeinflussung produktionslogistischer Zielgrößen sowie die flexible Anpassbarkeit eines bestehenden Auftragsprogramms an geänderte Rahmenbedingungen auch während des Produktionsprozesses. Der modulare Aufbau sorgt neben einer dezentralen Steuerung für die Möglichkeit, Veränderungen schnell und zielgerichtet vorzunehmen.

In Folge der bei dezentralen Produktionssteuerungsverfahren notwendigen hohen Datenqualität und Transparenz bzgl. der Aufträge und Ressourcen ist eine Genauigkeit der Steuerung erreichbar, die zentrale Steuerungssysteme zumeist bewältigen können. Diese Rückmeldedaten können einmalig an das übergeordnete zentrale (ERP-)System übergeben werden, um dessen Belastung zu minimieren. In Abhängigkeit von der Aggregationsebene besteht durch die modulare Struktur des neuen Produktionssteuerungskonzepts die Möglichkeit, beliebig viele Feinsteuerungspunkte in den Produktionsprozess und damit das neue Produktionssteuerungskonzept in vorhandene Produktionsstrukturen zu integrieren. Dadurch werden Produktionsprozesse schnell und einfach in eine transparente „Prozessmodul-Landkarte“ überführt.

Des Weiteren werden unterschiedliche Steuerungsmöglichkeiten in einzelnen Prozessmodulen oder ganzen Prozessabschnitten, die aus mehreren Prozessmodulen bestehen, ermöglicht. Auf diese Weise erhält der verantwortliche Mitarbeiter z. B. die Möglichkeit der Auftragsbeschleunigung/- verzögerung und die Möglichkeit der zusätzlichen Auslastung von Engpassressourcen.

Zwar werden durch das beschriebene modulare Steuerungskonzept zunächst nur lokale Optima geschaffen, da jedes Prozessmodul gesondert betrachtet wird. Durch eine übergeordnete Koordination der steuerungsrelevanten Entscheidungen über einen Teil oder alle Prozessmodule hinweg mit Abstimmungen zwischen den Marktplätzen sowie dem notwendigen Weitblick in die nachfolgenden Prozessmodule hinein wird jedoch auch eine globale Verbesserung erzielt. Aufgrund des elektronischen Datentransports mittels RFID werden der damit verbundene Koordinationsaufwand sowie die zusätzliche Komplexität hierbei gering gehalten.

RFID als Enabler

Durch den Einsatz der RFID-Technologie für das dezentrale Produktionssteuerungskonzept kann die Flexibilität deutlich erweitert werden. Um die Transparenz durch die Feinsteuerungspunkte zu erhalten, müssen die Aufträge mit ihren entsprechenden Steuerungsdaten auf den Marktplätzen möglichst einfach und schnell zurück gemeldet werden. Der hierbei entstehende Bedarf an Echtzeit der Rückmeldungen bei der Betriebsdatenerfassung kann über die RFID-Technologie realisiert werden. Auf Basis der Mitführung von Auftrags- und Steuerungsdaten mit Hilfe von RFID-Transpondern am Auftrag wird die Möglichkeit des einfachen Datenaustausches an jedem Marktplatz geschaffen. Durch die kontinuierliche Verfügbarkeit relevanter Steuerungsinformationen können die Daten vom RFID-Transponder ausgelesen, systemseitig verarbeitet und zurück geschrieben werden.

Die Wirtschaftlichkeit von RFID-Lösungen

Der weitreichenden und verbreiteten Anwendung steht derzeitig – insbesondere bei KMU – oft die unbeantwortete Frage nach der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von RFID entgegen. Die Komplexität dieser Fragestellung liegt in folgenden Umständen begründet:

• Der Einsatz der RFID-Technologie hat unternehmensweite Auswirkungen. Eine alleinige Betrachtung des Produktionsbereichs wäre unzureichend.
• Der Quantifizierung von nicht-monetären Nutzenarten stellt eine Herausforderung dar (z. B. Termintreue, Änderungsflexibilität und Schnelligkeit). Um diese zusammen mit monetären Größen zu betrachten, sind sie durch unternehmensspezifisch zu definierende Kennzahlen zu operationalisieren und in die Bewertung zu integrieren.
• Beim Einsatz von RFID-Technologie kann bisher nicht auf Standardlösungen zurückgegriffen werden. Die Einführung der Technologie ist daher mit Risiken bezüglich der Leistungsfähigkeit des Systems verbunden.

Zur Analyse der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von RFID zur dezentralen Produktionssteuerung wird innerhalb des Projekts ein Ansatz für eine erweiterte Wirtschaftlichkeitsanalyse entwickelt, der eine einfache und ganzheitliche Bewertung der Auswirkungen von RFID-Lösungen ermöglicht.

Neben monetären Größen werden hierbei, als Erweiterung der klassischen Verfahren, zusätzlich die nicht-monetären Nutzen identifiziert, messbar gemacht und in die Bewertung integriert. Es handelt sich bei den nicht-monetären Größen zum einen um quantifizierbare Größen (z. B. Verkürzung von Durchlaufzeiten) und zum anderen um nicht direkt quantifizierbare Größen (z. B. Flexibilität, Transparenz und Kundenzufriedenheit)[3].

Die Zusammenhänge und Auswirkungen der identifizierten Nutzenpotenziale werden unternehmensweit in Anlehnung an die Systematik der Strategy Map und der Balanced Scorecard (BSC) über Ursache-Wirkungsbeziehungen abgebildet [4]. So kann der Einfluss von nicht monetärem Nutzen auf die monetären Zielgrößen abgebildet und erfasst werden, so dass am Ende eine Gesamtkennzahl ermittelt werden kann.

In Form einer „Evaluation Map“ (Abb. 1) werden die Potenziale sowie deren quantifizierte Ursache-Wirkungsbeziehungen abgebildet. Eine solche Karte stellt die Auswirkungen einer RFID-Lösung auf transparente und nachvollziehbare Weise dar. Zur Integration der mit der Investition verbundenen Risiken (z. B. technische Funktionsfähigkeit oder Mitarbeiterakzeptanz) können Wahrscheinlichkeitsverteilungen für alle mit Risiken behafteten Potenziale bestimmt werden, um mögliche negative und positive Veränderungen zu berücksichtigen. Sensitivitätsanalysen erlauben letztlich Aussagen über kritische Einflussgrößen.

Um die Praktikabilität der Bewertung zu gewährleisten, wurde für den Einsatz von RFID in Produktion und Logistik ein Potenzialkatalog erstellt, der die Auswirkungen der Technologie funktionsübergreifend beschreibt und zur Messung der Potenziale geeignete Kennzahlen vorschlägt. So kann die Anwendung der Methode für weitere Projekte auf einfache Weise erfolgen, indem realisierbare Potenziale ausgewählt und verknüpft werden, geeignete Kennzahlen definiert werden und so eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit vorgenommen werden kann.